高中物理速度选择器和回旋加速器解题技巧分析及练习题

高中物理速度选择器和回旋加速器解题技巧分析及练习题
一、速度选择器和回旋加速器
1．质谱仪最初由汤姆孙的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在．现在质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如右图所示是一简化了的质谱仪原理图．边长为L 的正方形区域abcd 内有相互正交的匀强电场和匀强磁场，电场强度大小为E ，方向竖直向下，磁感应强度大小为B ，方向垂直纸面向里．有一束带电粒子从ad 边的中点O 以某一速度沿水平方向向右射入，恰好沿直线运动从bc 边的中点e 射出（不计粒子间的相互作用力及粒子的重力），撤去磁场后带电粒子束以相同的速度重做实验，发现带电粒子从b 点射出，问： （1）带电粒子带何种电性的电荷?
（2）带电粒子的比荷（即电荷量的数值和质量的比值
q
m
）多大? （3）撤去电场后带电粒子束以相同的速度重做实验，则带电粒子将从哪一位置离开磁场，在磁场中运动的时间多少?
【答案】（1）负电（2）2
q E m B L =
（3）从dc 边距离d 点距离为32
L 处射出磁场；3BL E
π
【解析】 【详解】
（1）正电荷所受电场力与电场强度方向相同，负电荷所受电场力与电场强度方向相反，粒子向上偏转，可知粒子带负电； （2）根据平衡条件：
qE =qv 0B
得：
0E
v B
=
撤去磁场后，粒子做类平抛运动，则有：
x =v 0t =L
2 2
12qE L
y t m =
=
得：
2 q E m B L
= （3）撤去电场后带电粒子束在磁场中做匀速圆周运动，则：
2
00v qv B m r
= 得：
mv r L qB
=
= 粒子从dc 边射出磁场，设粒子射出磁场距离d 点的距离为x ，根据几何关系：
22
22L x r r +-=（）
r=L
得：
x L =
所以1
3
θπ=
23BL t T E
θππ=
= 答：（1）带电粒子带负电； （2）带电粒子的比荷2
q
E
m B L
=
； （3）撤去电场后带电粒子束以相同的速度重做实验，则带电粒子将从dc 边距离d 点
x L =
处离开磁场，在磁场中运动的时间3BL t E =π．
2．如图，正方形ABCD 区域内存在着竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，已知该区域的边长为L 。

一个带电粒子（不计重力）从AD 中点以速度v 水平飞入，恰能匀速通过该场区；若仅撤去该区域内的磁场，使该粒子以同样的速度v 从AD 中点飞入场区，最后恰能从C 点飞出；若仅撤去该区域内的电场，该带电粒子仍从AD 中点以相同的速度v 进入场区，求： (1)该粒子最后飞出场区的位置；
(2)仅存电场与仅存磁场的两种情况下，带电粒子飞出场区时速度偏向角之比是多少？
【答案】(1)AB 连线上距离A 点3
L 处，(2)34。

【解析】 【详解】
(1)电场、磁场共存时，粒子匀速通过可得：
qvB qE =
仅有电场时，粒子水平方向匀速运动：
L vt =
竖直方向匀加速直线运动：
2
122L qE t m
= 联立方程得：
2qEL
v m
=
仅有磁场时：
2
mv qvB R
= 根据几何关系可得：
R L =
设粒子从M 点飞出磁场，由几何关系：
AM 2
2
2L R ⎛⎫- ⎪⎝⎭
=3L
所以粒子离开的位置在AB 连线上距离A 点
3
2
L 处； (2)仅有电场时，设飞出时速度偏角为α
，末速度反向延长线过水平位移中点：
2tan 12
L
L α==
解得：45α︒=
仅有磁场时，设飞出时速度偏角为β：
tan 3AM
OA
β=
= 解得：60β︒
= 所以偏转角之比：
34
αβ=。

3．如图所示：在两个水平平行金属极板间存在着向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，电场强度和磁感应强度的大小分别为E =1×103N/C 和B 1=0.02T ，极板长度L =0.4m ，间距足够大。

在极板的右侧还存在着另一圆形匀强磁场区域，磁场的方向垂直纸面向外，圆形磁场的圆心O 位于平行金属板的中线上，圆形磁场的半径R =0.6m 。

有一带正电的粒子以一定初速度v 0沿极板中线水平向右飞入极板间恰好做匀速直线运动，然后进入圆形匀强磁场区域，飞出后速度方向偏转了74°，不计粒子重力，粒子的比荷q
m
=3.125×106C/kg ，sin37°=0.6,cos37°=0.8，5≈2.24。

求： （1）粒子初速度v 0的大小；
（2）圆形匀强磁场区域的磁感应强度B 2的大小；
（3）在其他条件都不变的情况下，将极板间的磁场撤去，为使粒子飞出极板后不能进入圆形磁场，则圆形磁场的圆心O 离极板右边缘的水平距离d 应该满足的条件。

【答案】（1）v 0=5×104m/s ；（2）B 2=0.02T ；（3） 1.144m d ≥。

【解析】 【详解】
（1）粒子在电场和磁场中匀速运动，洛伦兹力与电场力平衡
qv 0B 1=Eq
带电粒子初速度
v 0=5×104m/s
（2）带电粒子进入磁场后做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力
20
02v qv B m r
=
轨迹如图所示：
由几何关系，带电粒子做圆周运动的半径为
4
0.8m tan 373
R r R =
==︒
联立解得：
B 2=0.02T
（3）带电粒子在电场中做类平抛运动 水平方向
0L v t =⋅
竖直方向
212
y at =
由牛顿第二定律
qE ma =
粒子飞出极板后不能进入圆形磁场即轨迹刚好与圆形磁场相切，如图所示：
由几何关系 ，利用三角形相似，有：
22
()22
L y y L R
d +=+
， 解得
1.144m d =，
若想带电粒子不能飞入圆形磁场，应满足 1.144m d ≥。

4．如图所示的速度选择器水平放置，板长为L ，两板间距离也为L ，下极板带正电，上极板带负电，两板间电场强度大小为E ，两板间分布有匀强磁场，磁感强度方向垂直纸面向外，大小为B ， E 与B 方向相互垂直．一带正电的粒子（不计重力）质量为m ，带电量为q ，从两板左侧中点沿图中虚线水平向右射入速度选择器． （1）若该粒子恰能匀速通过图中虚线，求该粒子的速度大小；
（2）若撤去磁场，保持电场不变，让该粒子以一未知速度从同一位置水平射入，最后恰能从板 的边缘飞出，求此粒子入射速度的大小；
（3）若撤去电场，保持磁场不变，让该粒子以另一未知速度从同一位置水平射入，最后恰能从板的边缘飞出，求此粒子入射速度的大小．
【答案】（1）E B ； （2qEL
m
3）54qBL m 或4qBL m
【解析】 【分析】 【详解】
（1）若该粒子恰能匀速通过图中虚线，电场力向上，洛伦兹力向下，根据平衡条件，有：
qv 1B =qE
解得：
1E v B
=
（2）若撤去磁场，保持电场不变，粒子在电场中做类平抛运动，则 水平方向有：
L =v 2t
竖直方向有：
21122
L at = 由牛顿第二定律有：
qE =ma
解得：
2qEL
v m
=
（3）若粒子从板右边缘飞出，则
222
2
L r L r =+-（）
解得：
5 4
r L =
由23
3v qv B m r
= 得：
354qBL
v m
＝
若粒子从板左边缘飞出，则：
4
L r =
由24
4v qv B m
r
=得：
44qBL
v m
＝
5．PQ 和 MN 分别是完全正对的金属板，接入电动势为E 的电源，如图所示，板间电场可看作匀强电场,MN 之间距离为d ，其间存在着磁感应强度为B ，方向垂直纸面向里的匀强磁场。

紧挨着P 板有一能产生正电荷的粒子源S ，Q 板中间有孔J ，SJK 在一条直线上且与 MN 平行。

产生的粒子初速度不计，粒子重力不计，发现粒子能沿着SJK 路径从孔 K 射出，求粒子的比荷
q m。

【答案】22
2E
B d 【解析】
【分析】
粒子在PQ 板间是匀加速直线运动，根据动能定理列式；进入MN 板间是匀速直线运动，电场力和洛伦兹力平衡，根据平衡条件列式；最后联立求解即可． 【详解】
PQ 板间加速粒子，穿过J 孔是速度为v 根据动能定理，有：212
qE mv =
沿着SJK 路径从K 孔穿出，粒子受电场力和洛伦兹力平衡:
qE
qvB d
= 解得:
22
2q E m B d = 【点睛】
本题关键是明确粒子的受力情况和运动情况，根据动能定理和平衡条件列式.
6．如图，在整个直角坐标系xoy 区域存在方向沿y 轴负方向的匀强电场，场强大小为E ；在x>0区域还存在方向垂直于xoy 平面向内的匀强磁场。

一质量为m 、电荷量为q 的带正电粒子从x 轴上x=－L 的A 点射出，速度方向与x 轴正方向成45°，粒子刚好能垂直经过y 轴，并且在第一象限恰能做直线运动，不计粒子重力
(1)求粒子经过y 轴的位置 (2)求磁感应强度B 的大小
(3)若将磁场的磁感应强度减小为原来的一半，求粒子在x>0区域运动过程中的最大速度和最低点的y 坐标。

【答案】（1）y=12L （2）mE B qL =（3）3m qEL v m
=72y L =-
【解析】 【分析】
（1）粒子在第二象限做类平抛运动，根据平抛运动的规律求解粒子经过y 轴的位置；（2）粒子在第一象限恰能做直线运动，则电场力等于洛伦兹力，可求解B ；（3）将x>0区域的曲线运动看做以2v 1的匀速直线运动和以v 1的匀速圆周运动的合成，结合直线运动和圆周运动求解最大速度和最低点坐标。

【详解】
（1）粒子在第二象限做类平抛运动，设初速度为v ，
1222
v v v ==
L=v 1t
2
2
v y t =
联立解得2L y =，则经过y 轴上2
L
y =的位置； （2）qE a m
= v 2=at 可得1qEL
v m
= qv 1B=qE 解得mE
B qL
=
（3）将x>0区域的曲线运动看做以2v 1的匀速直线运动和以v 1的匀速圆周运动的合成，如图；
2112v B
qv m r
⋅=
解得
2
1
22
mv
r L
qE
== 24
y r L ∆==
最低点y坐标为
17
22 y L y L =-∆=-
此时速度最大为v m=2v1+v1
解得3
m qEL
v
m
=
7．如图所示，两平行金属板相距为d，板间电压为U．两板之间还存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里．平行金属板的右侧存在有界匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ，其磁感应强度的大小分别为B和2B．三条磁场边界彼此平行且MN与PQ间的距离为L．一群质量不同、电荷量均为＋q的粒子以一速度恰沿图中虚线OO'穿过平行金属板，然后垂直边界MN进入区域Ⅰ和Ⅱ，最后所有粒子均从A点上方（含A点）垂直于PQ穿出磁
场．已知A点到OO'的距离为3
4
L
，不计粒子重力．求：
（1）粒子在平行金属板中运动的速度大小；（2）从PQ穿出的粒子的最大质量和最小质量．
【答案】（1）
U
v
Bd
=（2）
2
max
25
36
B qLd
m
U
= ;
2
min
2
3
B qLd
m
U
=
【解析】
【分析】
(1)抓住带电粒子在平行金属板间做匀速直线运动，根据电场力和洛伦兹力相等求出粒子在平行金属板中运动的速度大小；
(2)根据几何关系求出粒子在磁场中的最大半径和最小半径，结合半径公式求出粒子的最大质量和最小质量．
【详解】
(1) 带电粒子在平行金属板间做匀速直线运动，有：
U
q qvB
d
=
解得粒子在平行板中的运动速度v=U dB
；
(2) 由题意可知，根据mv
r qB
=知，质量越大，轨道半径越大，则质量最大的粒子从A 点射出，如图
由于左边磁场磁感应强度是右边磁感应强度的一半，则粒子在左边磁场中的半径是右边磁场半径的2倍，
根据几何关系知，右边磁场的宽度是左边磁场宽度的2倍，有：
123(1cos )(1cos )4
r r L θθ-+-=
r 1sinθ+r 2sinθ=L ，
2112
r r =
联立解得cosθ=
7
25，12536
L r = 根据max 1m v r qB =得最大质量为：m max =
22536B Ldq
U
粒子在左边磁场中的最小半径为：r min ＝2
3
L 根据min min
m v r qB =得最小质量为：m min ＝
223B Ldq U
． 【点睛】
本题考查了带电粒子在磁场中的运动，关键作出运动的轨迹，通过几何关系求出临界半径是解决本题的关键，该题有一定的难度，对学生数学几何能力要求较高．
8．1897年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷，图为汤姆孙测电子比荷的装置示意图。

在真空玻璃管内，阴极K 发出的电子经阳极A 与阴极K 之间的高电压加速后，形成细细的一束电子流，沿图示方向进入两极板C 、D 间的区域。

若两极板C 、D 间无电压，电子将打在荧光屏上的O 点，若在两极板间施加电压U ，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P 点；若再在极板间施加磁感应强度大小为B 的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光点又回到O 点，已知极板的长度L 1=5.00cm ，C 、D 间的距离d =1.50cm ，极板的右端到荧光屏的距离L 2=10.00cm ，U =200V ，B =6.3×10－4T ，P 点到O 点的距离Y =3.0cm 。

求:
(1)判断所加磁场的方向；
(2)电子经加速后射入极板C、D的速度v；
(3)电子的比荷(结果保留三位有效数字）。

【答案】(1)磁场方向垂直纸面向外 (2)v=2.12×107m/s (3)=1.61×1011C/kg
【解析】
【详解】
（1）由左手定则可知磁场方向垂直纸面向外；
（2）当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回复到中心O点，设电子的速度为，则evB=eE
得即代入数据得v=2.12×107m/s
（3）当极板间仅有偏转电场时，电子以速度进入后，竖直方向作匀加速运动，加速度为
电子在水平方向作匀速运动，在电场内的运动时间为
这样，电子在电场中，竖直向下偏转的距离为
离开电场时竖直向下的分速度为
电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏
t2时间内向上运动的距离为
这样，电子向上的总偏转距离为
可解得代入数据得=1.61×1011C/kg
【点睛】
本题是组合场问题：对速度选择器，根据平衡条件研究；对于类平抛运动的处理，通常采用运动的分解法律：将运动分解成相互垂直的两方向运动，将一个复杂的曲线运动分解成
两个简单的直线运动，并用牛顿第二定律和运动学公式来求解．
9．如图所示的平面直角坐标系，x 轴水平，y 轴竖直，第一象限内有磁感应强度大小为B ，方向垂直坐标平面向外的匀强磁场；第二象限内有一对平行于x 轴放置的金属板，板间有正交的匀强电场和匀强磁场，电场方向沿y 轴负方向，场强大小未知，磁场垂直坐标平面向里，磁感应强度大小也为B ；第四象限内有匀强电场，电场方向与x 轴正方向成45°角斜向右上方，场强大小与平行金属板间的场强大小相同．现有一质量为m ，电荷量为q 的粒子以某一初速度进入平行金属板，并始终沿x 轴正方向运动，粒子进入第一象限后，从x 轴上的D 点与x 轴正方向成45°角进入第四象限，M 点为粒子第二次通过x 轴的位置．已知OD 距离为L ，不计粒子重力．求：
（1）粒子运动的初速度大小和匀强电场的场强大小． （2）DM 间的距离．（结果用m 、q 、v 0、L 和B 表示） 【答案】（1）22B qL
E m
= （2）22
0222m v DM B q L =
【解析】 【详解】
（1）、粒子在板间受电场力和洛伦兹力做匀速直线运动，设粒子初速度为v 0，由平衡条件有：qv 0B=qE…①
粒子在第一象限内做匀速圆周运动，圆心为O 1，半径为R ，轨迹如图，
由几何关系知R ＝
245L
L cos ＝︒
…② 由牛顿第二定律和圆周运动的向心力公式有：qv 0B ＝m 2
0 v R
…③
由②③式解得：v 0＝2
BqL
…④
由①④式解得：E＝
2
2B qL
m
…⑤
（2）、由题意可知，粒子从D进入第四象限后做类平抛运动，轨迹如图，设粒子从D到M的运动时间为t，将运动分解在沿场强方向和垂直于场强的方向上，则粒子沿DG方向做匀速直线运动的位移为：DG＝v0t…⑥
粒子沿DF方向做匀加速直线运动的位移为：
2
2
1
22
Eqt
DF at
m
＝＝…⑦
由几何关系可知：DG DF
＝，2
DM DG
＝…⑧
由⑤⑥⑦⑧式可解得
22
22
2m v DM
q B L
＝．
【点睛】
此类型的题首先要对物体的运动进行分段，然后对物体在各段中进行正确的受力分析和运动的分析，进行列式求解; 洛伦兹力对电荷不做功，只是改变运动电荷的运动方向，不改变运动电荷的速度大小．带电粒子做匀速圆周运动的圆心、半径及运动时间的确定：①、圆心的确定：因为洛伦兹力提供向心力，所以洛伦兹力总是垂直于速度的方向，画出带电粒子运动轨迹中任意两点（一般是射入磁场和射出磁场的两点）洛伦兹力的方向，其延长线的交点即为圆心．②、半径的确定：半径一般都是在确定圆心的基础上用平面几何的知识求解，常常用到解三角形，尤其是直角三角形．③、运动时间的确定：利用圆心角与弦切角的关系或者四边形的内角和等于360°计算出粒子所经过的圆心角θ的大小，用公式
t= 360T
θ
︒
可求出运动时间．
10．如图是回旋加速器示意图，置于真空中的两金属D形盒的半径为R，盒间有一较窄的狭缝，狭缝宽度远小于D形盒的半径，狭缝间所加交变电压的频率为f，电压大小恒为U，D形盒中匀强磁场方向如图所示，在左侧D形盒圆心处放有粒子源S，产生的带电粒子的质量为m，电荷量为q。

设带电粒子从粒子源S进入加速电场时的初速度为零，不计粒子重力。

求：
(1)D形盒中匀强磁场的磁感应强度B的大小
(2)粒子能获得的最大动能E k
(3)粒子经n次加速后在磁场中运动的半径R n
【答案】(1)2πfm B q =(2)222
k 2πE R f m =(3)n R =【解析】 【详解】
(1)粒子做圆周运动的周期与交变电流的周期相等，则有
2π1
=
m T qB f
= 解得
2πfm
B q
=
(2)当粒子的半径达到D 型盒的半径时，速度最大，动能也最大，则有
2
v qvB m R
=
则
mv R qB
=
最大动能为
222
22222k 11()2π222qBR q B R E mv m R f m m m
====
(3)粒子经n 次加速后的速度为
2
12
n nqU mv =
得
n v =
半径为
n n mv R qB =
=
11．1932年，劳伦斯和利文斯设计出了回旋加速器．回旋加速器的工作原理如图所示，置于真空中的两个D 形金属盒半径为R ，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计，磁感应强度为B 的匀强磁场方向与盒面垂直．两D 形盒之间所加的交流电压为U ，粒子质量m 、电荷量为q 的粒子从D 形盒一侧圆心处开始被加速（初动能可以忽略），经若干次加速后粒子从D 形盒边缘射出．求：
（1）交流电压的频率；
（2）粒子从D 形盒边缘射出时的动能； （3）粒子被加速的次数． 【答案】（1）交流电压的频率为
2Bq
m
π；（2）粒子从D 形盒边缘射出时的动能是2222q B R m ；（3）粒子被加速的次数为22
2qB R mU ． 【解析】 【分析】 【详解】
（1）加速电压的周期等于粒子在磁场中运动的周期，即T =2m
Bq
π， 那么交流电压的频率：f =
2Bq
m
π； （2）根据qvB =m 2
v R ，解得v =qBR m ，带电粒子射出时的动能：E K =12mv 2=2222q B R m
；
（3）经加速电场加速：qnU =222
2q B R m ，
解得：n =22
2qB R mU
12．回旋加速器是高能物理研究重要仪器.回旋加速器由两半径为R 的D 形金属盒组成，盒内存在垂直盒面的匀强磁场，磁感应强度为B ，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计.两盒间加上如图乙所示的交变电压，幅值为U 0，周期为002π=
m
T B q
，在t =0时刻，A 处质量为m 、电荷量为+q 的粒子从静止开始加速.不计粒子间相互作用和重力.
（1）求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t ;
（2）以发射点A 为坐标原点，向左为正方向建立x 轴，如图所示，第n 次加速后进入磁场做圆周运动时的圆心在x 轴上的位置应如何表示?
（3）若磁感应强度的取值有微小波动，其值为B '时，若粒子仍至少要连续加速n 次，则B '应满足什么条件? 【答案】(1) 2
00
2B R t U π=
(2) n 为偶数时
00222(12341)U m U m
n n n B q B q -L ，n 为奇数时，00222(123421)U m U m
n n n B
q B q
+--L L (3) 00222121
'+-n n B B B n n 剟 【解析】 【详解】
（1）粒子经电场加速后，在磁场中运动的最大速度为v m .对应圆周运动的最大半径为R .其中
m
0=
mv R B q
即
0m =
B qR
v m
最大动能为
222
20km
m 122==
B q R E mv m
每旋转一圈加速两次，设旋转N 圈
222
0022=B q R NU q m
则
22
00
4=B qR N mU
因此在磁场中运动的时间为
2
000
2π==
B R t NT U
（2）第一次圆周运动的圆心坐标为1
1=mv x Bq
其中
2
01102
=
-qU mv
1=
v 第二次圆周运动的圆心坐标为
22111
2222(1⎛⎫=
--=+ ⎪⎝⎭mv mv mv mv x Bq Bq Bq Bq Bq 第三次圆周运动的圆心坐标为
32111
3222(1⎛⎫=
--=+- ⎪⎝⎭mv mv mv mv x Bq Bq Bq Bq Bq
第n 次圆周运动的圆心坐标为 n 为偶数时
11
2(1=
+L n mv x Bq Bq
=
L n 为奇数时
11
2(1σ=
+L L n m x Bq Bq
=L L （3）若磁感应强度减小，则周期增加，设周期变为0T T +∆ 为使连续加速n 次，则
024
∆⨯T T
n …
即
2∆T T n
„
要求
0221
2π'+m n T B q n
„ 有
00221
'
+n
B B B n 厖 若磁场增大，则周期减小，设周期变为0-∆T T 为使连续加速n 次，则
024
∆⨯T T
n „; 即
2∆T T n
„
要求
0221
2π'-m n T B q n
… 则有
00221
'
-n
B B B n 剟 因此有
00222121
'+-n n
B B B n n 剟
13．回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用，有力地推动了现代科学技术的发展。

回旋加速器的原理如图，D 1和D 2是两个中空的半径为R 的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f 的交流电源上，取粒子在磁场中运动的周期与交流
电的周期相同。

位于D 1圆心处的质子源A 能不断产生质子（初速度可以忽略，重力不计），它们在两盒之间被电场加速，D 1、D 2置于与盒面垂直的磁感应强度为B 的匀强磁场中。

若输出时质子束的等效电流为I.（忽略质子在电场中的加速时间及质子的最大速度远远小于光速）
(1)
写出质子在该回旋加速器中运动的周期及质子的比荷q m
(2)求质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P .
(3)若使用此回旋加速器加速氘核，要想使氘核获得与质子相同的最大动能，请分析此时磁感应强度应该如何变化，并写出计算过程。

【答案】（1）2f B
π；（2）2
I BR f π；（32 【解析】 【详解】
（1）由回旋加速器的工作原理可知，交变电源的频率与质子回旋的频率相同，由周期T 与频率f 的关系可知：T=1/f ；
设质子质量为m ，电荷量为q ，质子离开加速器的速度为v ，由牛顿第二定律可知：
2
v qvB m R
= ；
质子回旋的周期：22R m
T v qB
ππ== 则质子的比荷为：
2q f m B
π= （2）设在t 时间内离开加速器的质子数为N ，Nq
I t
=
则质子束从回旋加速器输出时的平均功率2
12N mv P t
⋅=
由上述各式得2
P IBR f π=
（3）若使用此回旋加速器加速氘核，E k1=E k2
22112211=22
m v m v
22222212122212
1122R B
q R B q m m m m = 221212
B B m m = 212B B =
即磁感应强度需增大为原来的2倍
14
．如图回旋加速器D 形盒的半径为r ，匀强磁场的磁感应强度为一个质量了m 、电荷量为q 的粒子在加速器的中央从速度为零开始加速．
求该回旋加速器所加交变电场的频率；
求粒子离开回旋加速器时获得的动能；
设两D 形盒间的加速电压为U ，质子每次经电场加速后能量增加，加速到上述能量所需时间不计在电场中的加速时间．
【答案】（1）
（2） （3） 【解析】
试题分析: （1）由回旋加速器的工作原理知，交变电场的频率与粒子在磁场运动的频率相等，故:
粒子在磁场中做匀速圆周运动过程，洛伦兹力提供向心力，根据牛顿第二定律，有：
周期：
联立解得：，
(2)粒子离开磁场时速度最大，根据牛顿第二定律，有：
最大动能：
联立解得：
（3）加速次数：粒子每转动一圈加速两次，故转动的圈数为：
粒子运动的时间为：t=nT 联立解得：
考点： 带电粒子在磁场中运动
15．1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地利用带电粒子在磁场中运动特点，解决了粒子的加速问题．现在回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中．回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于高真空中的D 形金属盒半径为R ，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计．磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直，加速器接一定频率的高频交流电源，保证粒子每次经过电场都被加速，加速电压为U ．A 处粒子源产生的粒子，质量为m 、电荷量为q ，初速度不计，在加速器中被加速，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用．
（1）求第1次被加速后粒子的速度大小为v ；
（2）经多次加速后，粒子最终从出口处射出D 形盒，求粒子射出时的动能km E 和在回旋加速器中运动的总时间t ；
（3）近年来，大中型粒子加速器往往采用多种加速器的串接组合．例如由直线加速器做为预加速器，获得中间能量，再注入回旋加速器获得最终能量．n 个长度逐个增大的金属圆筒和一个靶，它们沿轴线排列成一串，如图乙所示（图中只画出了六个圆筒，作为示
意）．各筒相间地连接到频率为f 、最大电压值为U 的正弦交流电源的两端．整个装置放在高真空容器中．圆筒的两底面中心开有小孔．现有一电量为q 、质量为m 的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间的缝隙的时间可以不计．已知离子进入第一个圆筒左端的速度为1v ，且此时第一、二两个圆筒间的电势差12U U U -=-．为使打到靶上的离子获得最大能量 ，各个圆筒的最小长度应满足什么条件？并求出在这种情况下打到靶上的离子的能量．
【答案】（1（2）2222q B R m ，2
2BR U
π
（3）)1,2,3,n L n ==L L ，
()()21111,2,32
kn E n qU mv n =-+=L L 【解析】
（1）粒子第1次被加速后，212qU mv =，v =； （2）粒子在磁场中做匀速圆周运动，当运动轨迹的半径r R =时，粒子的速度最大，
动能最大，设最大速度为m v ，有2m m v qv B m R
=， 粒子获得的最大动能222
2122m m q B R E mv m ==， 粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次．设粒子到出口处被加速了n 次，
212=m nqU mv ，解得22
2qB R n mU
=， 带电粒子在磁场中运动的周期为22r m T v qB ππ==， 粒子在磁场中运动的总时间2
22T BR t n U
π==； （3）为使正离子获得最大能量，要求离子每次穿越缝隙时，前一个圆筒的电势比后一个圆筒的电势高U ，这就要求离子穿过每个圆筒的时间都恰好等于交流电的半个周期．由于圆筒内无电场，离子在筒内做匀速运动．
设离子在第n 个圆筒内的速度为n v ，第n 个圆筒的长度为n L ，则有
·22n n n v T L v f ==，()22111122n mv mv n qU -=-，n v =
第n 个圆筒的长度应满足的条件为)1,2,3,n L n ==L L ，
打到靶上的离子的能量为()()21111,2,32
kn E n qU mv n =-+=L L ． 点睛：回旋加速器中最大的 速度不是由回旋次数决定而是由回旋加速器的半径决定，另外要知道电场变化的周期恰好等于粒子在磁场中运动的周期，一个周期内加速两次．。